石墨烯具有大的比表面(miàn)積、高的化學(xué)惰性以及優異的阻隔性，被(bèi)認爲是已知最薄的防護材料，采用化學(xué)氣相沉積（CVD）法制備的石墨烯薄膜可直接用于金屬的腐蝕防護，逐漸成(chéng)爲制備石墨烯防護薄膜最主要的方法。但石墨烯薄膜在制備過(guò)程不可避免會引入空位、晶界等結構缺陷，將(jiāng)其長(cháng)時間暴露在空氣中，腐蝕介質容易通過(guò)這(zhè)些缺陷與基底金屬發(fā)生反應，且高導電的石墨烯薄膜將(jiāng)促進(jìn)界面(miàn)處的電化學(xué)反應進(jìn)而加速基底金屬的腐蝕。
近期，中國(guó)科學(xué)院甯波材料技術與工程研究所海洋新材料與應用技術重點實驗室王立平研究員團隊利用CVD技術在多晶銅襯底上成(chéng)功制備了一系列的氮摻雜石墨烯薄膜，通過(guò)調節NH3的氣流量獲得不同氮濃度的氮摻雜石墨烯薄膜。同時，研究發(fā)現氮摻入石墨烯晶格網絡中會造成(chéng)薄膜體系的導電率相比于原始石墨烯下降，在大氣長(cháng)效暴露試驗條件下，低導電的氮摻雜石墨烯薄膜可抑制電子在腐蝕界面(miàn)的傳輸，降低銅和氮摻雜石墨烯界面(miàn)處的電化學(xué)腐蝕速率，有效延緩腐蝕區域的擴散，表現出更佳的長(cháng)效腐蝕防護性能(néng)（圖1），但該方法仍不能(néng)根除薄膜在生長(cháng)過(guò)程中形成(chéng)的結構缺陷，以及所造成(chéng)的表面(miàn)不均勻的腐蝕點。相關結果已經(jīng)發(fā)表在Journal of Materials Chemistry A（2018, 6, 24136-24148）上，并作爲期刊的Inside back cover被(bèi)亮點報道(dào)。
另一方面(miàn)，六方氮化硼（h-BN）納米片作爲一種(zhǒng)石墨烯類似物，也具有很好(hǎo)的抗滲透性。王立平研究員團隊通過(guò)CVD法在多晶銅襯底上生長(cháng)出不同層數的h-BN薄膜，由于h-BN自身的絕緣特性，無論是單層或是多層h-BN薄膜，將(jiāng)其包覆在銅襯底表面(miàn)都(dōu)表現出優異的大氣長(cháng)效防護性能(néng)。在高溫加熱條件下（200℃），單層h-BN薄膜包覆銅箔的氧化主要發(fā)生在薄膜晶界和缺陷處，而多層h-BN的氧化主要集中在薄膜的褶皺區；相比于單層h-BN薄膜，多層h-BN薄膜能(néng)夠有效阻礙氧氣的橫向(xiàng)擴散，顯著提高了基底銅的抗氧化性能(néng)（圖2）。相關結果發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces（2017, 9, 27152-27165）上。
以上研究工作得到了中科院前沿科學(xué)重點研究項目（QYZDY-SSW-JSC009）、國(guó)家自然科學(xué)基金（41506098）、青島海洋科學(xué)與技術國(guó)家實驗室開(kāi)放基金（QNLM2016ORP0409）等的資助。
圖1 氮摻雜石墨烯薄膜的長(cháng)效腐蝕防護機理
圖2 單層和多層六方氮化硼包覆銅箔的界面(miàn)損傷機制
（表面(miàn)事(shì)業部 任思明）
